“智能树叶“空中自立改变外形登Science子刊只有钉子一半重

答案揭晓：

网友: 他管这玩意叫翱翔器？

不错，这个小小的机器人学名叫做“可变形折纸微型翱翔器“，来自华盛顿大学，没有电池，用太阳能网络电路和触发掌握器，就能在半空中自主变形，可以飞过一个体育场！

大小像一片树叶一样，重量也只有钉子的一半，约重400毫克。
这还算上了机载传感器，可以丈量翱翔时的温度、湿度和其他条件。

翱翔过程看似无序，实际上它着落的办法和方向是可控的，研究职员还能同时掌握多个微型翱翔器的形状和降落行为，如果用无人机批量空投，精准地降落分散到不同区域，可以实现网络信息、征采搜救、大规模的环境监测等等。

▍“智能尘埃“雏形初现？折纸构造开辟新的翱翔器设计空间

传统的翱翔器，大多是飞机、无人机，基本上都是带机翼的主动推进设备：

而这种不装电池的传感设备，可以在风中翱翔，模拟树叶和种子，可以掌握它们的低落，还能批量空投到各个区域，机载的传感器能监控统统信息。

这不禁让人遐想起“智能尘埃“，美国国防部高档研究操持署(DARPA)和兰德公司在1990年代初提出的理念。
把传感器散布到空气中，这样一来，它们就可以监控统统信息——温度、湿度、化学品、运动、脑电波，统统的统统。

听起来很猖獗，也很新颖，这个如树叶大小的微型翱翔器彷佛已经迈出了第一步。

不装电池，仅靠太阳能驱动，这样的高节能翱翔器该怎么设计？

可以利用翱翔器着落时与空气的相互浸染，其速率受到投影面积和构造干系阻力系数的影响，因此，在过程中改变落体的形状是一个很妙的方法。

华盛顿大学的研究职员想到了折纸构造，太阳能的网络有限，无法实现连续的驱动，如果设计一种双稳态折纸构造，在两种状态下都能保持其形状，无需花费任何能量。

通过预定义的折痕线，微型翱翔器可以折叠和展开，切换形状使得翱翔器的面积、受到的风阻改变，从而影响它的翱翔办法。

当翱翔器展开时处于平坦状态，增加了在风中的横向位移，微型翱翔器会在风中翻滚，着落速率减缓：

切换到折叠状态会改变其周围的气流，从而实现稳定低落，类似于枫叶掉落的办法。

▍办理驱动微型翱翔器的多重寻衅

折叠和展开，两种形状的眇小变革都会极大地改变翱翔器的坠落行为。
须要在折纸构造、 致动器和能量网络电路之间进行仔细的协同设计，这就提出了多重设计寻衅。

1. 构造设计与致动器之间的权衡：折纸构造必须足够坚固，以防止误转换，但这也会增加致动器所需供应的力量，从而须要更大的组件和更高的功耗。

2. 与繁芜几何构造的兼容性：折纸构造在状态转换时，中央点和折痕沿Z轴高下移动，而构造的边界沿X和Y轴向内紧缩。
这使得在固定的安装点上安装刚性致动器变得具有寻衅性。

3. 快速相应的哀求：为了不才落到地面之前实现状态转换，致动器必须能够比这个韶光更快地进行转换。

4. 完备无线的哀求：在半空中转换构造哀求微翱翔器完备分开任何电源或致动刺激，并且可以通过设备进行电子掌握。

为理解决这些设计寻衅，研究职员剖析了不同的致动办法，终极设计了一种低功耗的柔性电磁制动器，由太阳能供电，可以在25毫秒内产生高达200毫牛顿的峰值力，可快速驱动折纸机构的形状切换，其柔性特点还能与折痕相适应，兼容繁芜的折纸机构。

他们在折叠的折纸构造上制作了一个电路，包括可编程微掌握器、蓝牙无线电、太阳能网络电路、压力传感器和温度传感器，通过太阳能网络的电力，微型翱翔器在轻微的微风下最远可翱翔98米，并通过蓝牙无线电在60米范围内无线传输数据。

▍真实户外测试，未来还有进步空间

在实际的室外场景中，微型翱翔器在从20米高度开释时能够从翻滚状态转变为稳定低落状态，并且在不同高度和风速条件下都能够实现分散翱翔。
此外，微型翱翔器还能够利用太阳能进行自主运行，并通过蓝牙传输数据。
根据光照强度的不同，微型翱翔器的传输速率也会有所变革。

据理解，这项研究设计开拓统共花费了大约两年的韶光，仍旧有进步的空间：目前的微型翱翔器只能在一个方向上转变——从翻滚状态到着落状态。
研究职员希望实现来回切换的能力，进一步提升精度和灵巧性。

除此之外，未来还可以增加翱翔器的着落覆盖范围，在不同的风及恶劣景象中进行测试，来面对更多的寻衅。

这项研究揭橥在环球顶级期刊Science的子刊《Science Robotics》中，题为“Solar-powered shape-changing origami microfliers（太阳能变形折纸微型翱翔器）“。
由华盛顿大学和威斯康星大学的研究职员互助开拓。

自“智能尘埃”提出以来，天下各地的科学家们已经进行了数十年的事情，即便以本日的技能工艺水平而论，要将传感器、仿照/数字电路、通信乃至电源全部封装在尘埃大小的空间中，仍旧是个艰巨的寻衅。

微型树叶翱翔器彷佛已经迈出了第一步，利用风和太阳能起飞，可实现大规模传感器的支配自动化。

这项研究由摩尔基金会奖学金、国家科学基金会、国家 GEM 同盟、谷歌奖学金操持、Cadence 奖学金操持、华盛顿 NASA 太空拨款奖学金操持和 SPEEA ACE 奖学金操持帮助。